可靠性建模论文

可靠性建模可靠性分配可靠性预计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

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目录1.何谓可靠性模型 32.建立可靠性模型的目的 3⒊可靠性建模的约定 43.1可靠性建模限定为任务可靠性模型 43.2可靠性建模暂不可考虑维修问题 54.建立可靠性模型的步骤 54.1定义产品 54.2绘制产品的可靠性框图 94.3确定计算系统可靠性的数学公式 125.可靠性分配与预计 125.1可靠性分配 125.1.1可靠性分配概述 125.1.2初次分配时的假设 135.1.3按复杂程度进行分配 145.1.4参考相似产品进行分配 155.2可靠性预计 165.2.1可靠性预计概述 165.2.2可靠性预计的程序 176.常用的可靠性模型 196.1串联模型 206.2并联模型 216.3混联模型 246.4表决模型 266.5旁联（非工作贮备）模型 296.6网络模型 316.7典型模型的应用 32PAGE第39页共43页1.何谓可靠性模型在着手建立可靠性模型之前，首先要明白什么是可靠性模型。可靠性模型由两部分组成：一个可靠性框图和一个计算可靠性数值的数学公式。例如，本文第20页的图3及其对应的计算公式（8），二者共同构成串联系统的可靠性模型。可靠性框图用来描述系统与其组成单元之间的可靠性逻辑关系；而计算公式则是用来描述系统与单元之间的可靠性定量关系。这里所说的“系统”和“单元”是一个相对的概念。例如，对于组成惯性导航系统的平台和计算机而言，惯性导航系统是“系统”，而平台和计算机则是“单元”。但对于惯性导航系统的装载对象（例如飞机和导弹）而言，惯性导航系统就只能算做单元了。一般来说，总是把复杂的产品叫做系统，而把它的组成部分叫做单元。有时候，为了表述上的方便起见，也把系统及其组成单元统称为“产品”。这里所说的产品是指能够独立进行研究和试验的对象。2.建立可靠性模型的目的可靠性建模是一项基础性的工作，是一切可靠性活动的前提。在产品的方案设计阶段，是为了进行可靠性的分配和预计；在产品的制造阶段，用于故障的分析（可靠性分析）；在产品制造出来之后，还需对产品的固有可靠性进行评估，此时也要用到可靠性模型。总之，几乎所有的可靠性活动都会或多或少地涉及到可靠性模型。可靠性模型的用途虽然很多，但主要应用于可靠性分配和可靠性预计。可靠性建模、可靠性分配和可靠性预计，三者都是产品“方案设计”阶段的重要工作内容，应在方案阶段完成。在产品的研制过程中，如果产品的技术状态有变化，还应及时地对可靠性模型作适当的调整。3.可靠性建模的约定3.1可靠性建模限定为任务可靠性模型就可靠性建模而论，可将产品的可靠性分为“基本可靠性”和“任务可靠性”两大类。基本可靠性是指，在规定的条件下，产品的无故障持续时间或者概率。基本可靠性模型，是用来估计由于产品自身的不可靠而引起的对维修和后勤保障（售后服务）的要求，所以它是一种用来度量使用经费的模型。产品能否完成预期的任务，取决于各种功能的完成。因此，任务可靠性是指，产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。而任务可靠性模型，则是用来估计产品在执行任务的过程中完成规定功能的概率，它是一种度量产品的工作有效性的模型。一般来说，同一个产品的任务可靠性模型与基本可靠性模型是不一致的，不能用基本可靠性模型去估计产品的任务可靠性。由于系统中的任何一个单元发生故障后，都需要进行维修或者更换，冗余单元也不例外，因此基本可靠性模型“永远”是一个全串联的模型。而任务可靠性模型则较为复杂，只有在无冗余或者无替代工作模式时，才是串联模型。基本可靠性的建模程序非常简单，只要将系统的所有组成单元都串联起来就可以了（任何一级单元的内部也均为串联模型）。因此，下面只讨论任务可靠性的建模问题。3.2可靠性建模暂不考虑维修问题 从维修的角度看，可将产品划分为可修复的和不可修复的两大类。可修复的产品出了故障、经修复后，可重新投入使用。所谓不可修的复产品，在发生故障后，不对其作任何修理而停止使用。一种情况是，根本无法修理；另一种情况是，可以修理，但不值得修理。经修复后再次使用的产品，其可靠性与首次故障前的可靠性，一般来说是不相同的，情况比较复杂。因此，在建立可靠性模型时，为了使问题得到简化，通常假设，修复后的产品其可靠性水平，与首次故障前是相同的。或者理解为，暂不考虑产品的维修问题。也就是说，在建立可靠性模型时，将所有的产品均视为“不可修复产品”进行讨论。综上所述，在建立可靠性模型时，建模的对象限定为“不可修复产品”的任务可靠性模型。即使能修，也暂不考虑维修的问题。4.建立可靠性模型的步骤这里给出的建模步骤，取自GJB813-90《可靠性模型的建立和可靠性预计》，也分为三步进行。第一步，定义产品；第二步，绘制产品的可靠性框图；第三步，确定计算可靠性值的数学公式。虽然步骤一致，但每一步的具体内容不完全一样，本文更为简明。4.1定义产品在着手建立产品的可靠性模型之前，首先要熟知产品。在此基础上，编写一个简要的文字说明，这段“文字说明”就叫做“定义产品”。或者反过来说，称为“产品定义”。叫什么并不重要，重要的是要通过这段“文字说明”把产品的“全貌”及其重要的特征描述清楚，让局外人能够读得懂。其要点如下：⑴产品名称：要用汉语全称，尽可能不用简称。如果因特殊需要，非用简称不可，则必须作必要的文字说明。⑵产品型号：这里所说的产品型号（用大写字母和数字表示），是指本产品的“型号”，而不是上一级“型号产品”（军用装备多用这一称谓）的型号。产品型号的确定，要符合标准化的规定，而且要得到标准化部门的认可，并备案。⑶产品的组成：画出本产品的“组成（或原理）方框图”，图中的每一个方框代表一个功能单元，但不必画出单元内部的详细电路图。所谓功能单元是指，具有独立的功能，可以独立地进行试验，并能单独进行验收的下一级产品。如果所研究的产品（建模对象）是另外一个更大系统的组成单元，或者要依赖另一产品才能完成某些功能，那么，该产品与相关产品之间就必然存在某些电气接口和机械接口。在“组成框图”中，还应标明本产品的对外接口关系：接口位于哪个功能框，以及“外接设备”（可用虚框表示）的名称等。需要指出的是，这里所说的“产品组成（或原理）方框图”，不能与同一产品的“可靠性框图”混为一谈，而且两个框图中的单元划分，应保持一致（单元个数、单元名称与标识）。⑷简要的工作原理：所谓“简要的工作原理”，就是简要地介绍系统的功能，并结合组成“框图”，介绍框图中每个方框的功能，以及框与框之间的关系（输入与输出关系）。在简述工作原理时，还需说明系统对外的接口约定：安装要求、装配尺寸、电连接器芯线表、通讯协议等。但不一定面面俱到，可酌情取舍。⑸确定产品的寿命剖面和任务剖面：产品的寿命剖面是指产品从验收出厂直至寿命终结或者退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。寿命剖面又分为“后勤剖面”和“任务剖面”两大部分。后勤剖面：是指产品出厂后，除执行任务外，所经历的包装、搬运、装车、运输、卸车、入库、贮存、测试和维修等事件，以及这些事件所处的环境和时间。由于基本可靠性的研究重点是对维修、维护和后勤保障的要求，因此，后勤剖面通常只建立基本可靠性模型。任务剖面：是指产品执行任务（现场使用）时，所经历的事件和环境的时间排序，以及持续时间的长短。在前面已经约定，可靠性建模的对象是任务可靠性模型，因此，任务剖面是任务可靠性建模的基础。必要时，可将任务剖面按事件发生的先后顺序分解成几个任务阶段。既可以建立包括所有任务阶段的总的可靠性模型，也可以对不同的任务阶段，分别建立相应的可靠性模型。在不同的任务阶段中，系统的工作状态是不同的（随钻测斜议在执行任务期间就具有“测量”和“休眠”两种工作状态），有些单元在工作，还有些单元在闲置。所以，可将系统的组成单元分成两大类：一类是，在整个任务期内，从头至尾都在工作；另一类是，在某些任务阶段工作，而在其它任务阶段不工作。因此，还需进一步说明第二类单元的“占空因数”（或者工作时间的长度）。占空因数是指，单元工作时间与系统的总任务时间之比。在考虑占空因数时，可靠度的计算又可按下述两种情况进行修正。第一种情况：单元的寿命服从指数分布，而且不工作时的失效率可以忽略不计。此时，单元可靠度的计算公式如下：(1)式中：第二种情况：单元的寿命服从指数分布，而且不工作时的失效率不可以忽略不计，但也不等同于工作时的失效率。此时，单元可靠度的计算公式如下：(2)式中：⑹任务失败判据及重要参数的容许界限：对于那些能够导致任务失败的性能参数，必须对其做出全面的描述，而且明确地指出其允许的上、下限。⑺定量和定性的可靠性要求：明确给出对产品的定量和定性的可靠性要求，在产品的任务书或订货合同中，一般都有明确的规定。4.2绘制产品的可靠性框图在充分熟悉了产品，并且已经完成了“产品定义”的基础上，可以着手绘制产品的可靠性框图。为了提高可靠性框图的规范性和可读性，需要遵守以下的一般性约定：◆首先，不能将同一个产品的“可靠性框图”与“组成(或原理)方框图”混为一谈。“可靠性框图”描述的是系统与其组成单元，以及单元与单元之间的可靠性逻辑关系，位于同一（可靠性）串联支路中的各单元的相对位置没有任何物理意义，只表明，其中的任一单元故障，则该串联支路故障，因此前后次序无关要紧。而“组成(或原理)方框图”描述的是系统与其组成单元，以及单元与单元之间的物理关系，或者说是“功能关系”，即使位于同一（物理）串联支路中，各单元的前后次序也不能随意变更（例如，输入与输出关系是不能变更的）。需要特别指出的是，虽然两类框图的形式不同，但其中的单元划分，应保持一致（数量、名称与标识）。◆每一个可靠性框图，都应有一个标题（×××产品可靠性框图）和简要的说明。由于在初次建模时，不确定的因素很多，为了突出重点，通常都要做必要的假设、或简化（例如，未列入模型单元）。所以，应在框图的下面做必要的说明，具体记述做了哪些假设和简化。其目的是，便于对框图的阅读、理解和使用。◆如果在合同文本或者研制任务书中，既有基本可靠性指标，又有任务可靠性指标时，则应分别建立基本可靠性模型和任务可靠性模型。但基本可靠性模型是唯一的，永远是串联模型。而任务可靠性模型则较为复杂，有多种形式可供选择，请参考本文的第6章“常用的可靠性模型”。另外，如果任务阶段不止一个时，则既可建立包括所有任务阶段在内的总模型，也可以根据不同的任务阶段分别建立相应的分模型。◆对于大型复杂系统而言，建模过程应从系统级开始，自上而下逐步展开，越画越细。系统级或分系统级，一般采用串联模型，在较低级别上可采用贮备模型（局部冗余）。假设，某复杂系统的可靠性框图由四个单元串联而成，如图1（a）所示，图1（a）图中的每一个单元代表一个分系统。再以A3为例，它又是一个串联分系统，由五个单元串联而成，如图1（b）所示，图1（b）图1（b）中的每一个单元代表一个部件。再以B2为例，它又是一个混联模型，其可靠性框图如图1（c）所示，图1（c）图1（c）中的每一个单元代表一个组（合）件。还可以继续画下去，那么究竟分解到哪一级为止呢？视具体情况而定，一般来说，分解到电路板一级就可以了。因为，电路板的下一级组成单元就是元器件，不能再分了。◆每一个方框都应加以标识，对于只包含少数几个方框的简单框图，可直接标在对应的方框中。对于含有较多方框的复杂框图，可对所有的方框进行统一的编码，做到“一框一码”，并将编码填入对应的方框中。然后，拟制一张编码清单表，在表中说明每一编码所代表的单元名称、型号、功能和可靠性值。◆在可靠性框图中，所有方框之间的连线没有可靠性值。但产品中的导线、电缆和连接器具有可靠性值，不能遗漏。可以将其合并在一起单独占有一个方框；也可以分别将其并入所在的单元。◆为了简化可靠性模型，有两类单元可以不反映在框图中。一类是所谓的“高可靠单元”，其可靠度近似为“1”；另一类是功能相对次要的单元，即使失效，也不会危及任务的成功。这两类单元被称为“未列入模型单元”。虽然没有将其画入框图，但应以“未列入模型单元清单”的形式附在框图的下面，并说明理由。◆当软件的可靠性没有纳入可靠性框图时，是假设软件完全可靠，但应简述其理由。◆当人的因素没有纳入可靠性框图时，是假设操作人员完全可靠，或者假设人员与产品之间没有相互作用的问题。如果有“人在回路中”的情况，则应考虑人的因素。◆在建立可靠性模型时，通常假设，产品的所有输入量均在规定的范围之内，即不考虑由于输入错误而导致系统故障的情况。另外还假设，各个单元的故障是相互独立的。4.3确定计算系统可靠性的数学公式在完成可靠性框图的绘制之后，可根据可靠性框图展示的逻辑关系推导出系统可靠性值的计算公式，即系统的可靠性数学模型。可靠性数学模型描述的是各单元的可靠性变量与系统可靠性值之间的定量关系，利用已知的单元可靠性值（如可靠度、失效率或者MTBF等）就能计算出系统的可靠性值。5.可靠性分配与预计在完成了可靠性建模之后，可接着进行可靠性分配与可靠性预计。而且，在撰写“可靠性分配报告”和“可靠性预计报告”时，要将建模的内容作为报告的组成部分，分别置于这两份报告的前部。可靠性分配与可靠性预计互为逆过程。可靠性分配是一个自上而下的分解过程；而可靠性预计是一个自下而上的综合过程。5.1可靠性分配5.1.1可靠性分配概述所谓可靠性分配，就是把系统（整机产品）的可靠性指标（在研制合同或研制任务书中规定）逐级向下，分解成各级组成单元的可靠性指标，是一个自上而下的分解过程。在产品的方案论证阶段，有很多因素是未知的，或者是不确定的。因此，可靠性分配很难做到“精准”，只能将整机产品的可靠性指标“粗略”地分配下去。随着研制工作的不断深入，各种数据资料的不断地增多，应该不失时机地对已分配的指标进行适当的修正和调整。另外，在进行可靠性预计时，也可能发现分配的指标不够合理，而需要调整。因此，可靠性分配很难做到“一锤定音”，而是一个由粗到精、逐步趋于合理（相对合理）的过程。5.1.2初次分配时的假设在初次分配时，为了突出重点、简化计算，通常作如下假设：⑴假设整机产品的可靠性框图为串联模型。由于绝大多数的产品不采用整机冗余的方案，即使采用“局部冗余”，也是在级别较低的单元上实施。因此，这条假设通常是满足的。⑵假设各分部件都在同机工作，而且任务时间相同。⑶假设各分部件的故障率（失效率）均为常数，即寿命分布为指数型。对于剔出了早期故障、任务时间较短，而且能够进行事先维护和更换的产品，其故障时间能很好地符合指数分布。⑷假设各分部件的故障是相互独立的。⑸假设各分部件的工艺成熟度基本相同。⑹如果整机产品的结构尺寸（三维尺寸）不是很大，而且其内部没有大功率的发热部件，可假设各分部件所处的环境是相同的。5.1.3按复杂程度进行分配在以上假设条件下进行可靠性分配时，可暂时只考虑各分部件在“复杂程度”上的差异，按比例进行分配。由于在前面已经假设，各分部件的失效率均为常数，为了方便起见，可将“可靠性分配”转换为“失效率分配”。设整机产品由n个分部件组成（串联模型），第i（i=1，2，…n）个分部件的失效率可按下式进行计算，(3)(4)(5)式中，——第i个分部件的失效率；——第i个分部件的复杂度系数；——第i个分部件中所含的基本单元数（或元器件数）；——整机产品的失效率；N——整机产品中所含的基本单元总数（或元器件总数）；在得到后，再考虑任务时间t，即可计算出第i个分部件的可靠度，(6)如果遇到任务时间不相同的情况，可参考本文的（1）式和（2）式给出的方法进行修正。当然，用这种“按比例分配”的方法，显得有些“粗糙”，但在方案设计阶段，由于资料的匮乏，实际上很难做到精细。尽管此法有些粗糙，但基本上反映了各分部件之间的可靠性“相对水平”（即横向对比关系），而且这种对比关系是比较客观的。因为元器件的数量是客观存在的，不受人的“主观因素”的影响。相对而言，“专家打分”法就很容易受到专家们的情绪的影响，而且每个专家的尺度把握也很难做到一致。因此，要慎用。随着研制工作的不断深入，资料的逐步增多，可将前面被忽略的假设条件再逐个加入，并对指标进行修正，使得可靠性分配日趋合理。在进行可靠指标修正时，可适当地改变比例系数ki的取值（此时，不再考虑基本单元数Ni）。例如，当加入“工艺成熟度”时，可适当地增加“成熟度较低”部件（其内部含有新器件、新材料、新技术等）的ki值，即降低对它的可靠性要求；同时减少“成熟度较高”部件（技术成熟、继承性好）的ki值，即提高对它的可靠性要求。但应保持（4）式和（5）式继续成立。而且，这种“定量”的调整，应该是小幅度的，尽量不要颠覆已经确定的“定性关系”，即各部件间，可靠性“谁高、谁低”的横向对比关系。如果还要继续加入其他影响因素时，可照此办理，但限于篇幅不再赘述。5.1.4参考相似产品进行分配一般情况下，新研制的产品往往是老产品的改型，有时也称老产品为“相似产品”。在初次对新产品进行可靠性分配时，可以参照老产品的可靠性分配结果，故称这种方法为“相似产品法”，计算公式如下：(7)式中，—新产品的第i个单元的失效率（与老产品的第i个单元的失效率相对应）；—新产品整机失效率（与老产品的整机失效率对应）；—老产品第i个单元的失效率；—老产品整机失效率。由（7）式可知，新产品的可靠性分配是直接套用了老产品（或者相似产品）的比例关系（）。因此，老产品必须是技术上成熟的产品，而且其可靠性指标的分配是合理的。否则，不能套用。在实际应用时，根据新产品相对老产品在技术状态上的差别，可适当地进行调整。5.2可靠性预计5.2.1可靠性预计概述 所谓可靠性预计，就是根据元器件的可靠性值逐级向上预计（计算）各级单元的可靠性值，直至系统级为止，是一个自下而上的综合过程。可靠性分配是从顶层产品（整机产品）开始的，逐级向下展开，一直分配到最底层的基本单元为止。可靠性预计正好相反，从最底层的单元开始。首先对位于底层的所有单元分别进行预计，再将预计的结果分别代入到各自对应的“上一级单元”的可靠性数学模型中，即可计算出“上一级单元”的可靠性值。如此，逐级地向上推算，直到计算出顶层产品的可靠性值为止。需要指出的是，所有单元的可靠性预计值均应优于其给定的指标（由上一级单元的分配结果确定）。如果实现该指标确有困难，其可能的原因有二：其一，所选元器件的质量等级可能偏低，需要提高其质量等级，特别是用量较大的元器件；其二，可靠性指标的分配可能不合理，需要向上一级设计师反馈意见，调整可靠性分配的结果。由此可见，可靠性分配与可靠性预计是相辅相成的，首次分配时，由于资料不足，分配的指标可能不够合理，需要多次调整和迭代，使之逐步趋于合理。另外，为了提高预计结果的可信程度，以及同级单元预计结果的可比性，需要统一预计时所采用的“尺度”：①所采用的预计方法（模型）要统一；②所使用的失效率手册（即数据来源）也要统一。5.2.2可靠性预计的程序中间单元和整机产品的可靠性预计，只是将下一级单元的预计结果代入到公式（可靠性数学模型）中进行计算，相对来说比较简单；而底层单元（电路板）的可靠性预计则较为复杂，而且是“全部预计”的基础，也最为重要。因此，下面只讨论底层单元的可靠性预计。在GJB/Z299A-91《电子设备可靠性预计手册》（简称《手册》）中，给出了最为常用的“元器件应力分析法”的预计程序。为了便于应用，这里以“电路板”为例，并结合《手册》概述如下：⑴建立电路板的可靠性模型：可靠性模型是可靠性预计的前提，因此，首先要建立电路板的可靠性模型，即确定“板上元器件”之间的可靠性串、并联关系（注意：不是物理串、并联）。⑵确定元器件的“基本失效率”λb：基本失效率是仅考虑温度应力和电应力时，电子元器件的失效率，即暂不考虑质量等级、其他环境因素等对元器件的影响。根据电路板研制任务书的相关要求，确定板上元器件的工作温度T和电应力比S（工作电应力∕额定电应力）。根据元器件的类型，查阅《手册》的“T—S”表格，即可得到元器件的基本失效率λb。不同类别的元器件，具有不同的“T—S”表。⑶计算元器件的“工作失效率”λp：元器件的工作失效率λp是基本失效率λb与一系列修正系数（即所谓的π系数）的连乘积，是对基本失效率λb的修正。基本失效率已经考虑了温度和电应力的影响，除此之外，还要进一步考虑质量等级、其他环境因素等对元器件的影响。不同的影响，用不同的π系数进行修正。而且，不同类别的元器件，具有不同的“修正模型”和不同的π系数（对应不同的应用要素：环境类别、质量等级、结构系数、成熟系数等）。查阅《手册》，首先确定元器件的“λp计算模型”和π系数的数值；然后再将π系数的数值代入模型即可计算出元器件的工作失效率。⑷计算同类元器件的工作失效率之和：在得到所有元器件的工作失效率之后，再将电路板上同类型的元器件的工作失效率相加。⑸计算电路板的工作失效率：将电路板上各类元器件的工作失效率之“和”再相加，就可得到该电路板的工作失效率，即该电路板的预计结果。⑹预计上一级单元的可靠性值：该电路板仅仅是其上一级单元的组成之一；该电路板的预计结果就是其上一级单元的一个已知参数。但是，同级别的电路板不止一个，上一级单元也不止一个。当同级别的所有电路板都完成了可靠性预计后，要“对号入座”，找到各自的上一级单元。然后，再将各电路板的预计结果分别代入到各自的上一级单元的可靠性模型中，就可以计算出上一级单元的失效率。照此继续下去，就可以最终计算出整机产品的失效率。6.常用的可靠性模型常用的可靠性模型（典型模型）如图2所示。根据其复杂程度和有无贮备功能可将它们分为三大类。即非贮备模型、贮备模型和网络模型。实际的工程系统，无论其结构有多么复杂，总可以将其视为由几个典型模型构成的组合体。图26.1串联模型设一个系统由n个单元组成，只有全部单元都正常工作时，系统才能正常工作，或者说，只要其中的任一单元故障，则系统故障。我们称这种系统为“可靠性串联系统”，简称为串联系统。串联系统的可靠性框图如图3所示。图3图中，R1，R2，……，Rn分别为单元1、单元2、……、单元n的可靠度，即各单元的可靠性变量。串联系统的可靠性数学模型，即系统的可靠度为，(8)式中，Rs(t)——系统在t时刻正常工作的概率，即系统在t时刻的可靠度；Ri(t)——第i个单元在t时刻正常工作的概率，即第i个单元在t时刻的可靠度（i＝1，2，3，……，n）。（8）式表明，串联系统的可靠度等于各单元的可靠度之积。当各单元的寿命分布均为指数型，且工作时间t相同时，则单元可靠度为：(9)式中：λi——第i个单元的失效率。如果进一步假设系统的工作时间也为t，则系统的可靠度为，(10)系统的失效率为，(11)式中：——系统的失效率，为各单元的失效率之和。。（10）式表明，串联系统的寿命分布仍然是指数型。所以，系统的平均故障间隔时间MTBFS为，(12)请注意，只有指数型分布，才可以用λs的倒数来计算MTBFS，对于其他分布，（12）不成立。由（12）式可知，串联的单元数愈多，则系统的值愈小，系统的可靠性就愈低。6.2并联模型设一个系统由n个单元组成，只要有一个单元工作正常，则系统就能正常工作。或者说，只有当所有单元都故障时，系统才故障。我们称这种系统为“可靠性并联系统”，简称为并联系统。并联系统是最简单的工作贮备（冗余）系统。多个单元并联虽然提高了系统的任务可靠性，但系统的基本可靠性却随之下降。因为，其中的任何一个单元故障，都必须进行维修或更换，增加了维修和保障费用，设计时应进行综合权衡。并联系统的可靠性框图如图4所示。图4图中，R1，R2，……，Rn的意义同前，不再说明。由（8）式可知，串联系统的可靠度等于各单元的可靠度之积。并联系统则相反，系统的“不可靠度Fs(t)”等于各单元的“不可靠度Fi(t)”之积，即“不可靠度串联”，如下式所示，(13)由于可靠度R与不可靠度F之和等于1，所以并联系统的可靠度为，(14)Rs(t)和Ri(t)的意义同前，不再说明。可见，并联系统的可靠性模型较为复杂，下面仅以最常见的二单元并联为例加以说明，即n＝2，(15)当各单元的寿命分布均为指数型，而且各单元与系统的工作时间均相同时，将（9）式代入上式，两个指数单元并联后的可靠度为，(16)显然，不能由（16）式直接得到并联系统的失效率，为此，不加证明借用一个计算公式如下，(17)该微分方程描述了失效率与可靠度之间的函数关系，普遍适用，在一般的可靠性文献中均有证明。将（16）式代入（17）式得，(18)由（18）式可知，并联系统的失效率不是常数，而是时间的函数。就是说，虽然各单元的寿命分布是指数分布，但并联系统的寿命分布不再是指数分布，这一点与串联系统是不同的。正因为如此，不能再用（12）式来计算系统的MTBFS，而只能采用普遍适用的积分计算来求取MTBFS，(19)该积分方程与(17)式所示的该微分方程一样，具有普遍性，均为不加证明直接引用。由（19）式可知，虽然并联系统的失效率不再是常数，但其平均故障间隔时间MTBFS仍然是常数。6.3混联模型在实际的工程系统中，并非都是单纯的串、并联结构，有时还有由串联和并联混合组成的所谓“混联系统”。混联系统总可以简化为若干个典型的串联、或并联的子系统，然后再采用“等效模型法”来计算其可靠度。只需分别采用串联和并联的基本公式就可计算出混联系统的可靠度。这种方法，对于并不十分复杂的系统，是较为实用的。混联模型又有“串－并”和“并－串”两种基本形式。⑴串—并联系统：所谓“串－并联系统”，由m个“子系统”串联而成，每个子系统又由n个单元并联而成。这种混联系统的可靠性框图如图5所示。图5图中，Rij为第i个子系统的第j个单元的可靠度。i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。假设每个子系统都是由n个相同的单元并联而成，而且每个单元的可靠度都是，由（14）式可知，子系统的可靠度为：(20)于是，由m个相同子系统串联而成的系统的可靠度为，(21)⑵并-串联系统：所谓“并－串联系统”，是由m个子系统并联而成，每个子系统又由n个独立单元串联而成。这种混联系统的可靠性框图如图6示。图6图中，Rij为第i个子系统的第j个单元的可靠度。i=1,2,…,m；j=1,2,…,n。假设每个子系统都是由n个相同的单元串联而成，而且每个单元的可靠度都是，则子系统的可靠度为：(22)于是，由m个相同子系统并联而成的系统的可靠度为：(23)在上述的图5和图6中，均假设各子系统都是由n个相同的单元组成，而且每个单元的可靠度也是相同的，这样做的目的仅仅是为了简化模型而已。其实，单元数不一定相同，可靠度也不一定相等。对于更为复杂的混联系统，总可以简化为若干个典型的串联、或并联的子系统，然后再逐级使用等效模型法，最终可以求得整个系统的可靠度。当然，其数学模型就要复杂得多了。6.4表决模型表决系统也是一种工作贮备系统，把来自各个组成单元的输出信号同时输入一个特定的“表决器”，表决器再根据预定的“表决规则”对各单元的工作情况进行检测，进而判定并隔离故障单元。当故障单元数少于规定的“有效单元”数时，系统就能正常工作，称这样的系统为表决系统。设一个表决系统由n个单元组成，只要其中有k个或者k个以上单元“不故障”，则系统就能正常工作。称k为有效单元数，称这样的系统为n中取k不故障系统，简称为n中取k系统，记为k/n（G）。其中的G可能是Gage的首字母，意为：度量、表决。很显然，当k＝1时，1/n(G)就是并联系统；当k＝n时，n/n(G)就是串联系统。k/n（G）系统的可靠性框图如图7所示。图7图中的“k/n（G）”就是n中取k“表决器”。在此，我们假设表决器的可靠度很高，近似为1。而且进一步假设各组成单元的可靠度相等，均为，则系统的可靠度为：(24)式中，表示从n个单元中抽取i个正常单元的组合数,计算公式为，(25)当各单元的可靠度是时间t的函数，而且均为指数分布时，则系统的可靠度为，(26)由上式可知，虽然单元的寿命分布为指数型，但表决系统的寿命为“二项分布”，不再是指数型。因此，系统的MTBFS只能用对可靠度的积分进行计算,(27)式中的为各单元的失效率。表决系统常用于数字电路和自动控制系统中，其中的一个应用特例就是“多数表决系统”，即（i＋1）/（2i＋1）（G）系统。其中，i+1=k;2i+1=n。可见，该系统由奇数（2i＋1）个单元组成，系统是否“故障”以多数（i＋1）单元的工作状态为准。在多数表决系统中，又以“三中取二系统”（i＝1）最为常见，即2/3（G）系统，它的可靠性框图如图8所示。图8（a）图8（b）图8（b）为图8（a）的等效模型。假设，图8中的单元A、B、C的寿命分布均为指数型，而且具有相同的可靠度，那么，将k＝2、n＝3代入（26）式和（27）式，可得2/3（G）系统的可靠度和如下，(28)(29)对于1/3（G）系统（3单元并联），将k＝1、n＝3代入（27）式可得：(30)对于3/3（G）系统（3单元串联），将k＝3、n＝3代入（27）式可得：(31)对比（29）、（30）和（31）式可知，由三个单元组成的2/3（G）表决系统的（=），比由相同单元组成的串联系统高，即比3/3（G）系统（）为高；比由相同单元组成的并联系统低，即比1/3（G）系统（）为低；而且，比一个单元的MTBF（=）也低。可见，表决系统的可靠性介于串联系统与并联系统之间。以上的分析，是在表决器完全可靠的情况下进行的。如果表决器不完全可靠，则应考虑表决器的可靠度，此时表决系统的可靠度为：(32)其中：为表决器的可靠度。由(32)式可知，表决器的可靠度严重地影响系统的可靠度，所以要求表决器的可靠度要大大高于各组成单元的可靠度。对于用硬件实现的表决器而言，这一要求是非常高的，否则，冗余就没有意义了。因此,表决系统要慎用。6.5旁联（非工作贮备）模型上述的并联系统、混联系统和表决系统都属于“工作贮备系统”。它们的共同特点是所有的单元都同时在工作，每一个单元既是工作单元，同时又是贮备单元。而“非工作贮备”系统则不同，只有一个单元在工作，其余的单元都不工作，即处在待机（贮备）状态。当工作单元故障时，立即由第一个贮备单元接替工作。当接替的单元再次故障时，立即由下一个贮备单元接替工作，直到全部贮备单元都故障时，系统才发生故障。因此，称这种系统为非工作贮备系统，有时也称为“旁联系统”（旁观者）。很显然，非工作贮备系统需要一个故障检测器和单元切换开关（注意：不是表决系统的表决器）。根据贮备单元在待机期间的失效率不同，非工作贮备系统又划分为三个类别：⑴冷贮备系统：所谓冷贮备系统是指，处在待机状态的单元不会发生故障，即待机单元的失效率为零；⑵热贮备系统：所谓热贮备系统是指，处在待机状态的单元有可能发生故障，而且待机单元的失效率与工作单元的失效率是相同的；⑶温贮备系统：所谓温贮备系统是指，处在待机状态的单元有可能发生故障，而且待机单元的失效率介于冷贮备系统和热贮备系之间。由于温贮备系统在待机期间也有可能发生故障，因此有时候，也把温贮备系统统并入热贮备系统。由上述三个定义可知，冷贮备系统是一种理想的情况，实际上并不存在，仅仅是为了简化模型而已。在实际的工程系统中，贮备单元在待机期间，即使不通电，但由于受到温度、湿度、振动和冲击等环境应力的作用，也有可能发生故障，即失效率并不为零，但也不同于工作期间的失效率，而是介于两者之间。因此，在实际工程中，多为温贮备系统。一般来说，温贮备系统的贮备单元的性能是在缓慢地恶化，直至最终发生故障。由于热贮备系统和温贮备系统的贮备单元在待机期间有可能发生故障，因此，它们的可靠性数学模型比冷贮备系统要复杂得多，以下只对冷贮备系统加以简单的说明。假设冷贮备系统由n个单元组成，其中只有一个单元在工作，其余的（）个单元不工作，即处在待机（贮备）状态。冷贮备系统的可靠性框图如图9所示。图9图中的K为故障检测和切换装置（两个功能合而为一）。如果进一步假设故障检测器和切换开关完全可靠，而且各单元的寿命均为指数分布时，则系统的平均故障间隔时间等于各单元的平均故障间隔时间之和，如下式所示，(33)但是，系统可靠度的计算公式要复杂得多，可查阅相关文献，不再赘述。由（33）式可知，非工作贮备系统的最大优点是，能够大大地提高其任务可靠性，但其缺点也是十分明显的。由于增加了故障检测和切换装置K，会使系统的结构变得复杂起来，而且，对K的可靠性要求非常高，其失效率应低于单元失效率的50％。因此，在应用时要慎重考虑、综合权衡。6.6网络模型在实际的工程系统中，除了前述的串联、并联、混联、表决和旁联（非工作贮备）等典型的模型之外，还会遇到一类更为复杂的网络模型。例如，通讯网络、交通网络、供电网络等网络系统的可靠性模型。网络模型的特点是，不能用简单的串联和并联模型进行等效、简化，如图（10）所示。图中的每一个方框内部，又是一个极为复杂的模型。因此，要建立网络系统的可靠性数学模型并计算其可靠度是十分困难的,通常要在计算机上并借助于专用的软件进行求解。由于网络模型在一般的产品中几乎见不到，所以，不再详述（实际上也说不清楚）。图106.7典型模型的应用在前面，已经介绍了几种典型的可靠性模型，对于一些较为简单的工程系统而言，运用其中的一个，或者两个就可以建立该系统的可靠性模型。然而，对于一些较为复杂的工程系统而言，可能就不是这么简单了。不过，无论实际的工程系统多么复杂，总可以将其视为，是由几个典型模型构成的组合体。在应用这些典型模型时，要注意以下的一般原则：●串联模型是最常见、最简单、也是最基本的模型。串联的单元越多，则系统的可靠性越低。从设计的角度看，为了提高串联系统的可靠性应尽可能地简化设计以减少串联的单元数目。●并联模型是最常用，也是最简单的工作贮备模型。可以证明，两个单元并联，并联后的MTBF比并联前能提高50％。但是，这种提高不是线性增长的，当并联单元过多时，系统可靠性的提高就再不明显了，反而使系统过于复杂，体积和重量也随之增加。一般来说，三单元并联就足够了，再多也没有必要。●对于混联系统而言，可以证明，“串—并系统”（图5）的可靠性比“并—串系统”（图6）为高。其实用不着证明，道理很简单，在“串—并系统”中，任一单元故障都不会影响其所在并联子系统的正常工作，因为各单元互为贮备；而在“并—串系统”中，任一单元故障都要造成其所在串联支路的故障。尽管如此，在实际工程应用中，有时仍然要采用“并—串系统”，用来防止单元的“短路故障”造成的损失。反之，如果单元的故障模式为“开路故障”，则应采用“串—并系统”。●对于表决模型，应注意以下两点：①假设表决器完全可靠，当k不变时，系统的可靠度随着n的增加而增加。反之，当n不变时，系统的可靠度将随着k的增加而减小，当k增至k＝n时，其可靠性下降到与串联系统相同；而当k减至k＝1时，其可靠性增至与并联系统一样。②假设表决器完全可靠，对于各单元均为指数分布的“多数表决”系统而言，假设系统的任务时间为t，各单元的平均寿命均为。可以证明，当t＝0.69时，系统的可靠度等于单元的可靠度；当t0.69时，系统的可靠度反而低于单元的可靠度，违背了贮备的初衷；可见，只有当t0.69时，系统的可靠度才大于单元的可靠度，贮备才有实际意义。因此，在工程应用时，要严格控制系统的工作时间，不能接近、更不能超过单元的平均寿命。可见，表决系统在提高任务可靠性方面并不占优势。在实际的工程系统中，之所以要采用表决模型，往往是因为特殊的功能需要。●非工作贮备系统的突出优点是能够大幅度地提高系统的任务可靠性，在故障检测器和切换开关完全可靠的前提下，它的平均寿命等于所有单元的平均寿命之和。但实际上做不到，因为故障检测器和切换开关不可能完全可靠。在实际应用时，通常要求故障检测器的失效率比“失效率最低的单元”还要低50%，否则会严重地影响系统的可靠性。另外，对于工作不允许间断的产品，不能够采用非工作贮备模型。●元器件是产品中层次最低的单元，也是产品可靠性的基础，必须努力提高其可靠性水平，尤其是用量较大的元器件，更是如此。当采用串联模型不能满足系统可靠性的要求时，而且元器件的可靠性一时又难以提高、改进也十分困难时，就必须考虑采用贮备模型（余度技术）来保证系统的任务可靠性。一般来说，在层次较低的产品中引入贮备单元，其“效费比”最佳。但是，引入贮备单元会使系统的基本可靠性随之下降，使维护和保障费用随之增加。而且，系统的结构也会变得复杂，体积、重量和成本也会随之增加。因此，系统设计师必须根据研制目标和现有的条件进行综合权衡。●在一般的产品中，表决模型和非工作贮备模型的用例很少见，网络模型几乎见不到，二单元或三单元的并联（局部冗余）模型是最为常见的。

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作者签名:二〇一〇年九月二十日

致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现\t"_blan